將LED光譜測量引入大學物理實驗

張師平 吳平 閆 丹 裴藝麗 李 莉

(北京科技大學1數理學院,2自然科學基礎實驗中心,北京 100083)

發光二極管的英文寫為Light-emitting diode,簡稱LED,1993年在日本日亞化學工業工作的中村修二首次成功地將鎂元素摻入氮化鎵中,制造出了寬帶隙P 型半導體材料,并成功應用于具有廣泛應用價值的藍光LED 中[1]。2014年,中村修二與天野浩及赤崎勇一起因此獲得了諾貝爾物理學獎。可發射藍光的LED 的發明可以說是里程碑式的成績,因為它的發明是后來白光LED的基礎,也是現代我們日常生活中照明光源快速被LED 所替代的基礎。LED 光源具有諸多的優點:(1)能量轉換效率高,目前市面上所售賣的LED 光源的能量轉換效率可以達到160lm/W 以上,約是白熾燈的10倍,是日光燈管的2倍以上;(2)使用壽命長,在有著良好散熱的情況下,LED的使用壽命可以達到10萬小時,是白熾燈的100倍,是日光燈管的10倍以上;(3)體積小,LED 一般可以制造得很小,長度小于2mm,這樣不僅易于安裝而且更易于與透鏡配合使光束匯聚或發散,目前很多汽車都開始采用LED 作為其前照燈。除此以外LED 還有反應時間短、抗頻閃能力強、抗機械沖擊能力強、單色性好等特點。

目前,LED 已經廣泛得應用在我們的日常生活中。將其引入大學物理實驗中[2],使學生掌握LED的基本伏安特性以及其光譜特性,有助于加強學生對這一諾貝爾物理學獎級的半導體器件的理解。其中,LED 的伏安特性實驗我們已經在2015年引入到大學物理實驗的教學中[3],并取得了良好的教學反饋。

1 LED的工作原理

LED 實際上是一個P-N 結注入器件,藍光LED基本結構如圖1(a)所示,當未施加電壓時,N型區的電子和P 型區的空穴相互擴散,并在建立了自建電壓V0后平衡并形成空間電荷區。當對LED 施加一個正向偏壓時,隨著電壓V的增大,自建電壓由原來的V0降低為V0-V,隨著平衡的打破,來自N 型區的電子開始向P 型區擴散,即為電子注入,如圖1(b)所示。注入的電子主要在P型區發生復合,復合后形成光子,因此這種復合發光主要也發生在空間電荷區的P型一側。這種由于多數載流子注入而引起電子和空穴對發生復合發光被稱為注入式電致發光。同時,電子和空穴對復合所發出的光子的方向是隨機的。

對于如圖1所示的LED 結構中,為了可以讓更多的光子從P 型區(常被稱為窗口層)輻射出來,在制備LED 的過程中就應當盡量減少P型區的厚度。但是減少了P 型區的厚度后,會造成部分注入的電子直接隧穿到達P 型區的表面,由于表面缺陷的存在,達到表面的電子被缺陷俘獲產生無輻射復合(以熱的形式釋放能量),降低了LED 的發光效率。相對于同質結,異質結兩側的材料具有不同的禁帶寬度,接觸以后由于費米能級不同而產生電荷轉移,直到將費米能級拉平。這就導致能帶出現不連續,界面處出現能帶的凸起和拗口(勢壘上將出現一個尖峰),從而對注入的電子起到了具有更好地限制作用,同時避免了漏電流的產生。為了提高LED 的發光效率,采用不同禁帶寬度的材料制備的異質結結構構成P-N結是一種常用的LED 設計,圖2展示了雙異質結LED 的結構[4]示意圖。

圖2 雙異質結LED 結構示意圖[4]

在二極管中電子空穴對相互復合而形成的光子能量取決于材料的禁帶寬度可以近似表示為其中,h為普朗克常數,ν為光子頻率,E g為半導體禁帶寬度。對于異質結藍光LED,其光子主要產生于靠近pGa N 的量子阱中,所以光子能量取決于量子阱材料InxGa1-xN 合金的禁帶寬度通過調節In 組分,其禁帶寬度可在0.7e V(In N)與3.4e V(GaN)連續可調。紅光LED 為了得到更長的發光波長,采用了LaGa As/Ga As的材料體系,以調整禁帶寬度。也正是因為光子能量取決于禁帶寬度的能量的原因LED 常具有較好的單色性。

目前,常見的白光LED 主要有兩種方式實現。其一,采用紅、綠、藍(三基色)三種不同顏色的LED 集成在一起,經過適當的比例匹配后混合成白光。由于這種方法制造的白光LED 所發出的光都來自各自顏色的LED,因此具有發光效率高的優點。但也正是這個原因,這種白光LED 也有成本高的劣勢,同時,由于三基色的LED 在使用過程中衰減速度不同,長時間使用后會有變色的問題。其二,采用藍光LED 激發熒光粉的方式,用LED 本身的藍光和其激發熒光粉發出的黃綠色光混合形成白光。這種白光LED 雖然發光效率有所降低,但是其具有顯色性好、成本低、長時間使用不變色的特點,是市場上常用的白光LED 的制造方案。

2 LED發光光譜實驗裝置

LED 的發光光譜實驗的設備由不同顏色的LED 燈珠、驅動電源和光柵光譜儀組成,如圖3所示。為了保證LED 工作時有穩定的結溫,需要良好的散熱作為保證。實驗中所用的藍光LED 和白光LED 分別如圖4(a)(b)所示,我們將LED 燈珠焊接在鋁基板上,并將鋁基板(如圖4(c)所示)固定在一整塊鱗狀散熱器上。驅動電路可以作為恒流源為LED 提供不同大小的驅動電流。光柵光譜儀用于測量LED 光譜,是天津港東科技股份有限公司生產的WGD-8A 型組合式多功能光柵光譜儀,其光譜分辨率≤0.06nm,波長準確性為±0.2nm,波長重復性為0.1nm。

3 LED的發光光譜特性

圖3 LED 光譜測量圖

圖4 藍光LED 和白光LED 燈珠

將LED 的發光光譜實驗引入到大學物理實驗中,實驗內容的考量是關鍵,我們將分別從單色LED 的發光光譜特性、白光LED 的發光光譜特性、驅動電流大小對LED 光譜特性的影響三方面入手。我們分別用圖3中所示的實驗裝置分別對藍光、綠光、紅光和兩種不同色溫的白光LED 進行了光譜測量。

3.1 藍光、綠光和紅光LED的發光光譜特性

圖5展示了歸一化后的藍光、綠光和紅光LED 的發光光譜。從圖中可以看到這三種LED的發光光譜的中心波長分別為458nm、530nm 和636nm,而光譜半寬度分別為17nm、32nm 和16nm。顯然藍光和紅光LED 相比于綠光LED來說具有更好的單色性,這是由于隨著技術的不斷進步,紅光和藍光LED 的技術和工藝已經非常成熟,市面上可以買到的紅光和藍光LED 燈珠均具有非常好的工藝質量;而綠光LED 相對于藍光LED 來說是在量子阱中摻雜更多的In組分使其禁帶寬度變窄,容易引入更多的生長缺陷以及組分非均勻性,技術難度有所增加,目前市面上可以買到的綠光LED的性能都不能和藍光LED相比。

圖5 藍光、綠光和紅光LED 的發光譜線

3.2 白光LED的發光光譜特性

圖6展示了歸一化后的兩種不同色溫的白光LED 發光光譜。我們假設一種光源的發光主要是熱釋光,如白熾燈的發光就可以認為是一個很好的熱釋光。這種光源的發光特性符合黑體輻射,其光譜可以用普朗克公式確定,即

式中,?為普朗克常數;k為玻耳茲曼常數;c為光速;T為發光體的溫度(絕對溫度);ω為發光體的輻射頻率,可以表示為,而λ為發光體的輻射波長。如果求出式(2)中輻射強度最大時所對應的波長,即

圖6 兩種不同色溫的白光LED 的發光光譜

式(3)中的單位為nm,可以用該式計算發光體的色溫。如果一個符合黑體輻射的發光體所發出的光譜的峰值對應的波長為500nm,所對應的發光體的溫度為5800K,我們就說這個發光體的色溫為5800K。我們一般把符合黑體輻射的光源定義為理想光源,例如陽光、白熾燈、鹵素燈等都可以認為是理想光源。LED 并不是一個可以看做黑體輻射的發光體,圖6展示了兩種不同色溫的白光LED 的發光光譜,可以看出實驗中測量的白光LED 是用藍光LED 激發熒光粉混合發光而形成的。之所以我們常用色溫來標稱不同的白光LED的照明特性,是因為生產過程中使用了不同配比的熒光粉,調節熒光粉的發光光譜可以得到看上去對應的理想光源(黑體)的色溫。

3.3 驅動電流對LED的發光特性的影響

如果我們用不同的電流來驅動LED(以藍光LED 為例),也會發現其光譜有所不同,如圖7所示。仔細觀察不難發現,當驅動電流增加時,發光光譜的強度隨之增加,中心波長也略有變化,如表1所示。由此可見,在本實驗電流范圍,隨著驅動電流的增加,藍光LED 的發光光譜發生了藍移。當驅動電流增大時,LED 中的P-N 結的低能態首先被填滿,量子阱中的載流子將進一步躍遷到更高的激發態上,因此,其所發射的光的波長也會相應變短,這種效應常被稱為能帶填充效應。實際上,隨著驅動電流進一步增大,由于散熱受限,LED的結溫會急劇升高,同時斯托克斯偏移[5],造成發光波長偏長。能帶填充效應以及斯托克斯偏移是一對相互競爭的關系,是影響LED 發光峰位的主要因素。同時,結溫升高導致非輻射復合增加,發光強度增速減緩。但是,過高的驅動電流會對LED 壽命造成影響,因此在本文的實驗內容的設計上沒有采用過大的驅動電流。

圖7 不同電流驅動下,藍光LED 的發光譜線

表1 藍光LED在不同的驅動電流下的中心波長的變化

4 結語

隨著時代的發展,LED 已經成為了繼白熾燈、熒光燈之后的第三代照明光源,其光效高、壽命長的優點已經非常顯著,且已集成量產。隨著2014年諾貝爾獎的頒獎,LED 的相關實驗成為了諾貝爾獎級的實驗。將LED 光譜實驗引入到大學物理實驗中與光柵光譜儀實驗相結合,既可以使學生在完成實驗的過程中掌握新的半導體器件的發光原理和光譜特性,又可以讓學生從中體會到物理學科在高新技術中的重要作用。在我國近年來提出的“新工科”建設的背景下,這對培養出能夠面向未來發展的跨領域、跨學科的綜合創新型人才尤為重要。希望本文可以起到拋磚引玉的作用,讓更多的有物理內涵的高新領域研究成果進入大學物理實驗的教學中。

審稿意見和作者修改說明摘錄

論文介紹了將LED 相關實驗引入大學物理的經驗及其相關內容,具有自己的經驗,經過更加細致的整理后,適合發表在本刊。但是論文還需要解釋以下的問題:

1.作者給出了為了避免單異質結的問題而引入了雙異質結,但是沒有闡明相關的機制。這個可以作為思考題留給學生,但是在本文中最好作介紹,有利于讀者或者其他學校參考。

答:相對于同質結,異質結兩側的材料具有不同的禁帶寬度。由于其介電常數不同,界面處會出現能帶的凸起或拗口,導致能帶出現不連續,從而對注入的電子具有更好的限制作用,同時避免漏電流的產生。我們已經在文中增加了相應的內容,并用紅色字體標注。

2.在本實驗中,測量數據的誤差分析內容有嗎? 如果有的話,可以加到文章中。

答:測量光譜實驗一般以儀器參數來探討測量數據的準確性。本文中用于測量LED光譜的儀器設備是天津港東科技股份有限公司生產的WGD-8A 型組合式多功能光柵光譜儀,其光譜分辨率≤0.06nm,波長準確性為±0.2nm,波長重復性為0.1nm。另外,本文在實驗內容設計上主要是希望學生通過不同類型的LED 發光光譜的測量掌握新的半導體器件的發光原理和光譜特性,數據處理的重點是光譜的繪制與曲線分析,數據的誤差分析確實沒有進行考慮。但是可以引導學生學會認識光譜儀的一系列參數和具體含義,及其對測量結果的影響。基于此,我們在文章中增加了相應的內容,并用紅色字體標注。

3.對于圖6的兩個發光峰,可以看到紅色曲線的藍光峰和黑色曲線的藍光峰有稍微的藍移,原因是什么?

答:不同色溫的LED芯片是從廠家購買的,藍光來源于InGaN量子阱的發光,In組分的微量波動都會導致藍光發光峰發生偏移。圖6中發光峰的偏移源自InGaN 工藝中In摻入的非均一性。而不同廠家甚至于不同批次的LED芯片很難保證In組分完全相同,因此本實驗中看到了兩個不同色溫LED的藍光峰并不重合,因此,本文中測量到的這種藍光峰的不重合并不是由于某種物理機制造成的藍移現象。

4.在實驗中是否可以討論發光效率的問題? 這個也是LED 測試一個重要的參數。

答:通過本實驗可以定性分析單色LED 的發光效率高低。在同樣的測試條件(同樣的設備、同樣的驅動電流)下,電致發光強度越高,該LED 的發光效率越高。而定量表征LED 的發光效率,則需要額外的設備。發光效率的單位為lm/W,可以通過IV測試得到順向電壓和驅動電流,得到輸入功率(單位W);通過積分球配合定標后的光譜儀測量LED 的光通量(單位lm);通過計算得到LED 的發光效率。但積分球和經過定標的光譜設備都是專業儀器設備,考慮到大多數工科物理實驗室或普通物理實驗室缺少這樣的專業儀器,因此本文所做的實驗中并未測量LED 的發光效率,在實驗設計中也沒有設計定量測量發光效率的實驗內容。請審稿人理解。

5.有些小的細節錯誤,比如在圖6上邊一段的介紹中,本來應該是圖6,結果寫成了圖5.“圖5展示了兩種不同色溫的白光LED 的發光光譜,”

答:非常感謝審稿人指出的錯誤,我們已經在文中進行了相應的修改,并用紅色字體標注。